面向柔性智能光子学的仿生自驱动液晶执行器

研究背景

仿生学的进步极大地推动了先进机器人技术的兴起与发展，同时也为诸多科学技术领域带来了新的活力。自然界中的可编程、自驱动、自维持的驱动形式，例如人类心脏的跳动、鸟儿翅膀的煽动以及企鹅蹒跚的步态等，在生命体中发挥着极其重要的作用，令科学家们着迷（其中自驱动/自维持是指物体在恒定的外部刺激下进行持续不断的特定规律性执行功能，该过程无需人为开/关或特意设置改变外场条件）。然而，要想把这类复杂的自反馈现象借鉴到智能化功能器件的开发中仍然十分困难，尤其在发展自主智能光子学技术领域。

图1 基于智能仿生自驱动液晶执行器的主动光子学应用

研究亮点

近日，受大自然启发，南京大学陆延青教授/马玲玲副研究员团队与南京邮电大学李炳祥教授、东南大学李全院士团队合作，基于液晶聚合物设计开发具有自驱动、自反馈、自维持振荡功能的可编程智能仿生液晶软执行器，并实现了新颖的自主智能光学与光子学应用（图1）。作为光电子/光子器件应用的明星材料，液晶（Liquid Crystal，LC）聚合物体系因其优异的光学各向异性、弹性变形、图案化操控、多刺激响应以及大幅度调制、小型化集成等优点，非常适用于开发各种可执行驱动器，尤其是具有特定光学功能的智能执行器。

然而，由于液晶微结构的光学效应和宏观的力学机械行为是跨尺度的（分别为微观和宏观），以往的研究常常把两者割裂，极大限制了液晶聚合物在自主智能光子学领域的发展。在该工作中，科学家们将微观结构的可编程设计和宏观形变的工程化控制有机结合，不仅成功演示了液晶执行器的受控弯曲形变以及仿生企鹅蹒跚步态的自振荡运动，还基于上述智能执行功能实现了动态二维光束偏转和自主自持续的智能光场调控功能。该工作提出的智能自驱动、自反馈、自维持液晶执行器有望在未来主动光学系统、智能光子学应用以及具有热-机械-光执行转换功能的自主机器人等领域得到广泛应用。

图2 智能仿生液晶执行器的自驱动、自反馈、自维持振荡行为研究

新型仿生智能软体液晶执行器实现自主自驱动功能，开创主动液晶光子学应用新领域。该工作中，研究人员将液晶执行器设计成丝带状薄膜，具有扭曲向列相液晶手性螺旋结构，其上下表面非对称的液晶指向矢分布使得液晶执行器可以方便地发生热机械响应而发生可编程弯曲形变。通过设置适合适的热场，研究了其独特的仿生自驱动振荡规律及内在机制（图2），进而展示了液晶软执行器在恒定温控下对光的自主操纵功能：动态光束偏折控制（图3）和智能自驱动光场调控（图4）。

该工作结合了液晶执行器弹性各向异性的宏观设计和液晶微结构光学各向异性的光物理过程，实现了自主自驱动智能特性与光子学功能的无缝衔接。该类液晶执行器具有自维持驱动特性，无需开/关激励或外场调谐，不仅扩展了以往只关注液晶聚合物薄膜机械响应的报道，而且为具有热-机械-光转化功能鲜明的智能驱动器提供了新的视角。

图3 基于智能仿生自驱动液晶执行器的动态光束控制

图4 基于智能仿生自驱动液晶执行器的主动光子学应用

该研究成果以“Autonomous Self-Sustained Liquid Crystal Actuators Enabling Active Photonic Applications”为题发表于国际一流期刊《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater.2023, 2301142）。南京大学陆延青教授、马玲玲副研、南京邮电大学李炳祥教授和东南大学李全院士为该论文的共同通讯作者。南京大学硕士研究生郑仁和马玲玲副研为该论文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委等支持。

该工作是团队近期关于液晶智能自驱动执行器相关研究的最新进展之一。此外，团队还通过巧妙引入光响应手性分子开关，诱导构筑精密螺旋拓扑超结构，开发了一种模拟细菌鞭毛运动的智能自驱动、可编程光控液晶执行器，实现了基于光驱动自组装微结构啮合原理的高效、并行、智能粒子操纵系统。

审核编辑：刘清